Теоретическая и экспериментальная ситуации в образовании чармония в адронных столкновениях

2Теоретическая и экспериментальная ситуации в образовании чармония в адронных столкновениях

Характерной особенностью адронного образования чармония является чрезвы­чайно малое сечение. Cечение образования J/ имеет величину порядка 10^-32 см² в p-взаимодействиях при энергии 40 ГэВ (брэнчинг в моды ⁺^- (или е⁺е^-) составляет 6%). Дру­гой особенностью образования чармония является сильная зависимость сечений от энер­гии и от типа частиц пучка. Малость сечения адронного образования чармо­ния можно объяснить слабой связью новых состояний с обычными адронами (малость _s (m²_Q ) ) и малыми размерами области генерации этих частиц 1/m²_Q. Сильная зависимость сечения образования этих состояний от энергии описывается в рамках партонной модели. Эта же модель позволяет понять и сильную зависимость сечений от сорта взаимодейст­вующих адронов [²]. Из опытов по глубоконеупругому рассеянию известно, что средний импульс, уносимый партоном, существенно меньше полного импульса адрона. Так, например, средний импульс валентного кварка в нуклоне составляет примерно 1/7 от пол­ного импульса нуклона при Q² =3-10 ГэВ², что обуславливает сдвиг эффективного порога рождения чармония в область более высоких энергий. Характерным масштабом энергии является масса рождаемого чармония (масса с-кварка). Наличие валентных антикварков в начальных адронах приводит к открытию канала с большей эффективной энер­гией пучка. Этим объясняется существенно большее сечение рождения чармония в p-взаимо­действии по сравнению с pp-взаимодействием при одинаковых энергиях в несколько десятков ГэВ. Так, например, при 40 ГэВ полные сечения образования J/ (с x _F >0) составляют для этих двух типов взаимодействий ~15 нб и 2 нб, соответственно. Присутствие в начальных адронах глюонов (помимо кварков) в качестве пар­тонов открывает еще один канал образования чармония – глюон-глюонное слияние. Используя данные о ширинах и вероятностях распадов различных состояний чармония, полученных в e⁺e^- -аннигиляции, и сечениях образования этих состояний в адрон-адронных взаимодействиях, можно получить информацию о механизме образования чармония и о распределении глюонов и кварков в начальных адронах. В случае, когда один или оба начальных адрона поляризованы, можно получить информацию также о спиновых структурных функциях составляющих нуклона.

На основании экспериментальных данных и теоретических моделей образования чармония можно сделать следующие выводы:

1. 
   море очарованных с-кварков в обычных адронах чрезвычайно мало, порядка 1% от моря легких кварков[Error: Reference source not found];
   
2. 
   основными источниками J/ в адронных столкновениях являются процессы, запрещенные правилом Цвейга. Однако в связи с существованием промежуточных уровней ₁ и ₂ с положительной С-четностью, которые связаны с обычными адронами сильнее, чем J/ и с большой вероятностью распадаются на J/ + , происходит дополнительное образования J/ через промежуточные каналы[Error: Reference source not found];
   
3. 
   отношение сечений рождения J/ на антипротонном и протонном пучках примерно 6 при 40 ГэВ [³] и равно при 225 ГэВ [⁴]. Это означает, что в запрещенных по правилу Цвейга переходах основную роль при низких энергиях играет процесс аннигиляции обычных кварков в чармоний, тогда как при высоких энергиях существенна аннигиляция глюонов в -состояния. По оценкам 70 ГэВ в рр-взаимодействии является областью энергии, где процессы кварк-антикварковой аннигиляции и глюон-глюонного слияния практически сравниваются между собой по вкладу в образование чармония с массой ~3,5 ГэВ/c². Следует отметить, что полное сечение рождения J/ в рр столкновениях увеличивается в 7-8 раз при переходе от энергии пучка от 40 до 70 ГэВ в эксперименте с фиксированной мишенью, в то время как в р- столкновениях величина сечения возрастает только в 2-3 раза. Это можно объяснить растущим вкладом глюон-глюонного слияния в процесс образования чармония в рр-взаимодействиях.
   

Образование J/-частиц широко исследовалось в ИФВЭ в 70-х и 80-х годах на установках СИГМА, ЛЕПТОН и ГАМС. Ниже представлены результаты некоторых экспериментов.

Н
Рисунок 1. Массовый спектр димюонов (лога­рифмический масштаб) в ^-Cu-взаимо­действии, полученный на спектрометре СИГМА при 50 ГэВ,

а спектрометре СИГМА J/-мезоны изучались в ^-А- столкновениях при энергиях 43 и 50 ГэВ в моде распада на ⁺^- [⁵]. В качестве ядер мишени использовались Be, Cu и W. Для всех мишеней был виден четкий сигнал от J/-мезонов при величине фона 10-15%. За сеанс работы У-70 с интенсивностью примерно 10⁶ ^-/цикл было зарегистрировано около 400 J/-мезонов (см. Рисунок 1). Используя полученные экспериментальные данные при линейной зависимости сечения от атомного номера ядра, можно оценить, что сечение рождения составляет примерно 25 нб/нуклон при энергии пучка 50 ГэВ.

На установке ЛЕПТОН J/-мезоны регистрировались в ^-Cu-столкновениях при энергиях 27 и 40 ГэВ в моде ⁺^- [⁶]. Интенсивность пучка была (2,5-3)10⁶ ^-/цикл. При энергии пучка 27 ГэВ суммарный поток пионов на мишени составил 9,010¹⁰ частиц. Было зарегистрировано 45 J/-мезонов. Фон составил 13 событий (22%). При 40 ГэВ суммарный поток пионов составил 4,9 10¹⁰ частиц. Было зарегистрировано 83 J/-мезона при фоне 14 событий (14%). Полные сечения образования J/ в области x_F>0 составили (41080) нб при 27 ГэВ и (980120) нб при 40 ГэВ на ядро меди. Предполагая для оценки линейную зависимость сечения от атомного номера ядра, получаем примерно 15 нб на нуклон при 40 ГэВ.

С
Рисунок 2. Спектр эффективных масс электронных пар на установке ГАМС-2000 в ^-р взаимодействии при 38 ГэВ. Полная гистограмма приведена для событий с энергией пары более 21 ГэВ, заштрихованная для энергии более 23 ГэВ
игналы от J/ и -мезонов были обнаружены на установке ГАМС-2000 при 38 ГэВ [⁷]. При этом J/-мезоны детектировались в моде е⁺е^- с использованием только калориметра из свинцового стекла, располагавшегося на расстоянии ~4,5 м от мишени. Поперечный размер калориметра был ~1,81,2 м², что соответствует геометрическому аксептансу 200 мрад по горизонтали и 130 мрад по вертикали. Перед калориметром располагался только триггерный двухплоскостной сцинтилляционный годоскоп. Система идентификации электронов не было.

Полная эффективность регистрации J/-мезонов после подавления адронного и мюонного фонов по форме электромагнитного ливня составила 4%. Тем не менее был виден четкий сигнал (см. Рисунок 2). По оценке авторов зарегистрировано 40 J/-мезонов (величина фона составляет менее 20%). За неделю работы через водородную мишень установки при средней интенсивности пучка 10⁷ ^--мезонов/цикл прошли 4,510¹¹ частиц.

В эксперименте было наблюдено 8 -мезонов (см. Рисунок 3). Фон отсутствовал. Энергетическое разрешение электромагнитного калориметра было недостаточно высоким для разделения по массе ₁ и ₂. Полное сечение рождения ₁+₂ в области x_F >0 было оценено как (2811) нб/нуклон, что гораздо выше, чем полное сечение прямого рождения J/ (без учета распадов J/+), которое оценивается авторами на уровне (7,52,5) нб.

Образование чармония в адронных столкновениях широко исследовалось на зарубежных ускорителях. Приведем несколько результатов, которые помогут нам лучше представить себе ситуацию с изучением чармония. В экспериментах, где -кванты от распадов ₁ и ₂ регистрировались электромагнитными калориметрами, различить ₁

Рисунок 3. a) Массовый спектр J/+ событий на установке ГАМС. b) события с условием 3,0<M_ee(ГэВ/c²)<3,3 [Error: Reference source not found].

и ₂ не удалось из-за недостаточно хорошего энергетического разрешения калориметров. Только в тех двух экспериментах, где -кванты от распадов ₁ и ₂ регистрировались при их конверсии в е⁺е^--пару, удалось четко разделить сигналы от ₁ и ₂.

В эксперименте в ЦЕРНе [⁸] наблюдали в сумме около 150 ₁ и ₂-мезонов, в эксперименте в Фермилабе [⁹] около 70 ₁ и ₂. На спектрометре Голиаф в ЦЕРНе исследовалось образование ₁ и ₂ в -Be-взаимодействий при 185 ГэВ [Error: Reference source not found]. J/ детектировались в мюонной моде. Фотоны детектировались через конверсию в е⁺е^- пару в мишени, импульсы электронов анализировались в магнитном спектрометре. Всего было зарегистрировано 44750 J/-мезонов и около 150 ₁ и ₂ (см. Рисунок 4).

В эксперименте Е771 в Фермилабе исследовалось образование ₁ и ₂ в рSi взаимодействиях при 800 ГэВ[Error: Reference source not found]. Эта самый последний эксперимент по изучению образования чармония в адронных столкновениях.

Интенсивность протонного пучка была 3,610⁷ прот/сек. За 5 недель набора статистики в эксперименте набрано 6,410¹¹ взаимодействий. J/-мезоны детектировались в мюонной моде. Для регистрации ₁ и ₂ отбирались события вокруг J/ с окном в 100 МэВ/с². Было зарегистрировано (11660139) J/ -мезонов (см. Рисунок 5).

Для исследования образования -состояний в эксперименте Е771 использовался 1С-фит на табличное значение массы J/-мезона, и проводилась поправка 4-импульсов мюонов. В отобранных J/ событиях восстанавливался -квант от распада  J/+ через его конверсию в е⁺е^- пару. Спектр эффективных масс J/+ событий в области масс -состояний приведен на Рисунок 6. Всего было найдено (339) ₁ и (3310) ₂. Ширины состояний равны (5,22) МэВ/ с².

Рисунок 5. Спектр эффективных масс димюонов с противоположными зарядами в эксперименте Е771 в Фермилабе [Error: Reference source not found]	Рисунок 6. Спектр эффективных масс J/+ событий в эксперименте Е771 в Фермилабе в области  - мезонов в р-Si-взаимодействий при 800 ГэВ [Error: Reference source not found]. Фит данных проведен с помощью полинома для фона и двух Гауссианов с одинаковыми ширинами.

Рисунок 7. (1)/(2) в протон-протонных взаимодействиях. Показаны результат Е771 вместе с двумя другими результатами из Фермилаба, а также усредненное мировое значение с коридором ошибок в 1. Детали в работе [Error: Reference source not found].	Рисунок 8. Фазовая диаграмма КХД